ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ КРИСТАЛЛОВ Y₃AL₅O₁₂, ЛЕГИРОВАННЫХ РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ND³⁺

Рыбина Эльвира Нафизовна

аспирант, Челябинский государственный педагогический университет, г. Челябинск

E-mail: elvirarybina@mail.ru

INVESTIGATION OF MAGNETIC SUSCEPTIBILITI Y₃Al₅O₁₂ CRYSTALS DOPED WITH DIFFERENT CONCENTRATION OF Nd³⁺

Elvira Rybina

Chelyabinsk State Pedagogical University, Chelyabinsk

АННОТАЦИЯ

В кристаллах алюмоиттриевого граната (YAG:Nd), выращенных способом направленной кристаллизации, примесь распределяется в виде ячеек, плотность и конфигурация которых определяется концентрацией примеси неодима. Характер распределения неодима определяется механизмом роста и захватом примеси кристаллами.

ABSTRACT

In Yttrium Aluminum Garnet (YAG: Nd) crystals grown by the method of directional solidification the impurity is allocated in cells-formed kind, which density and configuration are determined by the impurity concentration of neodymium. The nature of the impurity allocation is determined by the mechanism of crystal growth and capture of impurity.

Ключевые слова: кристалл; алюмоиттриевый гранат с неодимом (YAG:Nd); примесь; субструктура; гидротермальное травление.

Keywords: crystal; Yttrium Aluminum Garnet with neodymium (YAG: Nd); impurity; substructure; hydrothermal etching.

Введение

Кристаллы со структурой граната, активированные редкоземельными (РЗ) ионами, широко применяются в качестве активных сред лазеров ближнего ИК диапазона длин волн. Широкое применение кристаллов со структурой граната в лазерной физике обусловлено тем, что они выгодно отличаются от многих других классов лазерных материалов изотропией свойств, высокой механической прочностью и теплопроводностью, а также хорошей оптической однородностью. К настоящему времени проведено значительное количество исследований по изучению спектроскопических и структурных свойств кристаллов со структурой граната, активированных РЗ ионами. Результаты этих исследований представлены в многочисленных оригинальных статьях и значительном количестве научных обзоров [2, с. 106; 3, с. 40, 61—62]. Эти результаты имеют важное значение для выбора оптимальной активной среды при получении эффективной лазерной генерации. Среди лазерных кристаллов гранатов самое широкое практическое применение нашел иттрий-алюминиевый гранат активированный ионами неодима (Y₃Al₅O₁₂:Nd). Генерацию в Y₃Al₅O₁₂:Nd получают на переходе 4F_3/2→4I_11/2 ионов Nd³⁺ с длиной волны λ=1.06 мкм. На основе этого кристалла создано большое число импульсных и непрерывных лазеров для использования в промышленных технологиях, целях связи, геодезии, медицине и в научных исследованиях. Недостатком иттрий-алюминиевого граната является низкий коэффициент вхождения ионов Nd³⁺, что затрудняет получение кристаллов Y₃Al₅O₁₂:Nd больших размеров с равномерным распределением неодима [4, с. 65]. Решение задач, направленных на установление связей между особенностями структуры активированных кристаллов, их спектроскопическими характеристиками и рабочими параметрами лазеров, является важной составляющей современной физики твердотельных лазеров [1, с. 334; 5, с. 1115].

Эксперимент

Магнитная восприимчивость исследуемых кристаллов измерялась методом Фарадея на микровесах, смонтированных на основе микроамперметра, чувствительность весов составляет 10^-5 г. Измерения проводились с образцами кристаллов, которые были предварительно раздроблены для того, чтобы не было анизотропности магнитной восприимчивости у образца. Образец погружался в кварцевую кювету и помещался во всех случаях в одну и ту же точку поля. Это достигалось путем использования фотокомпенсационной системы, связанной с рамкой микроамперметра, на которой была закреплена рамка микровесов, на которую подвешивалась кювета с помощью кварцевой нити. Схема весов представлена на рис. 1. На платформе микровесов была установлена шкала с делениями, а к коромыслу весов прикреплена стрелка, которая позволила достаточно точно контролировать положение кюветы с исследуемым веществом в заданном положении между полюсами магнита.

Рис. 1. Схема весов

1 — источник света; 2 — зеркало; 3 — фотокомпенсационная схема, собранная на транзисторах; 4 — рамка микроамперметра; 5 — рамка микровесов; 6 — тонкая кварцевая нить

Изменение Н проводилось изменением тока, проходящего через электромагнит, величина тока фиксировалась амперметром.

Для получения результатов использовалась магнитная установка, основанная на взаимодействии неоднородного магнитного поля с веществом. Экспериментально установлено, что кристаллы YAG без примеси обладают диамагнитными свойствами с восприимчивостью χ=-0,25·10^-6 см³/г при 300 К. Ионы неодима имеют парамагнитные свойства, а потому, при введении ионов неодима в кристаллы должно наблюдаться снижение магнитной восприимчивости материала пропорционально концентрации примеси. Для эталонного кристалла восприимчивость составляет χ=–0,22·10^-6 см³/г при 300 К.

Для каждого образца готовились три пробы, измерение каждой из них проводилось не менее трёх раз и средние значения заносились в таблицу. Из таблицы следует, что значение концентрации примеси, определённое магнитным способом, выше, чем оптическим. Оптический метод указывает на концентрацию примесных ионов, вошедших изоморфно в решётку кристалла, а магнитный указывает, на полную концентрацию в кристалле. По разнице концентраций можно судить о количестве примеси, не вошедшую в решётку.

Таблица 1.

Магнитная восприимчивость образцов кристаллов YAG:Nd

С увеличением концентрации примеси в исходной среде возрастает её концентрация как в решётке кристалла, так и вне её. С приближением к концентрации ~1ат. % помимо диамагнитной составляющей на отдельных участках образцов обнаруживается примесь с парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости. При концентрации выше ~ 1,23 ат. % проявляется только парамагнитная составляющая. На рис. 2. представлены субструктуры кристаллов YAG с различной концентрацией примеси. Основным элементом субструктуры у кристаллов с концентрацией до 0,65 ат. % является ячеистость. Ячейки соответствуют симметрии исследуемой плоскости, границы их вытравливаются в виде бороздок, что указывает на повышенную концентрацию примеси на этих участках.